80、机器学习中的核方法与K-Means聚类算法

机器学习中的核方法与K-Means聚类算法

1. 机器学习相关领域概述

在机器学习领域,有诸多重要的研究方向,如机器学习与游戏玩法、马尔可夫过程、PAC学习和强化学习等。这些领域为后续的核方法和聚类算法奠定了基础。

2. 核方法

2.1 核方法简介

核方法在过去十年中在机器学习领域广受欢迎。线性估计器因便于分析和计算而备受青睐,但许多实际应用中存在固有的非线性依赖关系,而核方法有时能兼顾两者的优势。它能在再现核希尔伯特空间(RKHS)中构建学习和估计问题,具有诸多优点:
- 诱导出丰富的特征空间,允许大量(非线性)函数存在。
- 可灵活应用于包括欧几里得和非欧几里得空间在内的广泛领域。
- 能在无限维函数空间中高效搜索,只需考虑数据扩展的有限子空间。
- 在函数的线性空间中工作,为学习算法的构建和分析提供了极大便利。

2.2 核方法的理论基础

2.2.1 半正定核

半正定(psd)核是最常用的核类型。给定两个来自空间X的对象x1和x2,通过映射将它们映射到高维特征空间,计算内积k(x1, x2)。在许多算法中,只需直接指定k(x1, x2),无需明确定义映射,这在映射范围为高维甚至无限维空间时可节省大量计算。

定义 :设X为非空集,函数k: X × X → R 若对于任意n ∈ N和x1, …, xn ∈ X,Gram矩阵K = (k(xi, xj))i,j 是对称且半正定的,则称k为半正定核。

2.2.2 再现核希尔伯特空间

给定一个psd核k,可以构造一个从X到内积空间H的映射,使得〈φ(x1), φ(x2)〉 = k(x1, x2)。通过定义内积和范数,可以将空间完备化得到再现核希尔伯特空间(RKHS)。对于任意函数f ∈ H,有〈f, k(x, ·)〉 = f(x),这就是“再现”的含义。

2.3 psd核的性质

设X为非空集,k1, k2, … 为X × X上的任意psd核,则:
- psd核的集合是一个闭凸锥,即若α1, α2 ≥ 0,则α1k1 + α2k2 是psd核;若k(x, x’) = limn→∞ kn(x, x’) 对所有x, x’ 存在,则k是psd核。
- 逐点积k1k2 是psd核。
- 若ki 是Xi × Xi 上的psd核(i = 1, 2),则张量积k1 ⊗ k2 和直和k1 ⊕ k2 是(X1 × X2) × (X1 × X2) 上的psd核。

2.4 示例核

核的一个关键优势在于其适用于广泛的对象。以下是一些常见的核:
| 核类型 | 定义 |
| ---- | ---- |
| 线性核 | k(x1, x2) = 〈x1, x2〉 |
| 多项式核 | k(x1, x2) = (〈x1, x2〉 + c)^d,其中d ∈ N且c ≥ 0 |
| 高斯RBF核 | k(x1, x2) = exp(-γ ||x1 - x2||^2),其中γ > 0 |
| 拉普拉斯RBF核 | k(x1, x2) = exp(-γ ||x1 - x2||) |
| 卷积核 | 通过构建复合对象各部分的相似性度量来定义核,需要枚举对象的所有可能分解方式,因此需要高效的算法,如动态规划。 |
| 图核 | 分为图间核和图上核。图间核用于度量两个图之间的相似性;图上核定义顶点之间的度量,通常基于图拉普拉斯矩阵。 |
| 费舍尔核 | 分为归一化和非归一化费舍尔核,分别定义为k(x, x’) = U_θ(x)^T I^(-1) U_θ(x’) 和k(x, x’) = U_θ(x)^T U_θ(x’),其中U_θ(x) 是费舍尔得分,I 是费舍尔信息矩阵。 |

2.5 核函数类

许多机器学习算法可以表述为函数最小化问题,候选函数集通常选择为RKHS。优化RKHS的主要优势源于表示定理。

表示定理 :设φ: [0, ∞) → R 是严格单调递增函数,X 是集合,c: (X × R^2)^n → R ∪ {∞} 是任意损失函数。则正则化风险泛函
c((x1, y1, f(x1)), …, (xn, yn, f(xn))) + φ(||f|| H^2)
的每个极小化器 f ∈ H 都可以表示为
f(x) = ∑
{i = 1}^n αi k(xi, x)。

这个定理表明,尽管优化问题在无限维空间 H 中,但解保证位于以训练点为中心的 n 个特定核的张成空间中。

2.6 核方法的应用

2.6.1 监督学习

核方法在监督学习中有广泛应用,其中最著名的是用于二分类的支持向量机(SVM)。
- 二分类SVM
- 原始形式
minimize_{w, b, ξ} 1/2 ||w||^2 + 1/n ∑ {i = 1}^n ξi
s.t. yi(〈w, xi〉 + b) ≥ 1 - ξi,且 ξi ≥ 0,∀i
- 对偶形式
minimize
{αi} 1/2 ∑ {i, j} yiyj 〈xi, xj〉 αiαj - ∑ {i} αi
s.t. ∑_{i} yiαi = 0,αi ∈ [0, n^(-1)],∀i
通过设置 k(xi, xj) = 〈xi, xj〉,可以将其扩展到特征映射和核。同样的技巧也可应用于其他算法,如ν - SVM、回归、密度估计等。

  • 多分类和结构化输出分类
    对于可能的标签集 Y 较大的情况,可以通过引入对 (xi, y)(y ∈ Y)的联合核来构建核最大间隔机。
    • 原始形式
      minimize_{w, ξi} 1/2 ||w||^2 + 1/n ∑_{i = 1}^n ξi
      s.t. 〈w, φ(xi, yi) - φ(xi, y)〉 ≥ Δ(yi, y) - ξi,∀i, y
    • 对偶形式
      minimize_{αi, y} 1/2 ∑ {(i, y), (i’, y’)} αi,y αi’,y’ 〈φ(xi, yi) - φ(xi, y), φ(xi’, yi’) - φ(xi’, y’)〉 - ∑ {i, y} Δ(yi, y) αi,y
      s.t. αi,y ≥ 0,∀i, y;∑_{y} αi,y = 1/n,∀i
      所有内积 〈φ(xi, y), φ(xi’, y’)〉 都可以用联合核 k((xi, y), (xi’, y’)) 代替。

优化对偶目标的有效方法包括序列最小优化、指数梯度、镜像下降、切割平面或束方法等。

2.6.2 无监督学习

数据在特征空间中的分布建模可以使数据分析受益。在特征空间中仍然可以使用相对简单的线性方法,从而在原始数据空间中产生非线性方法。例如,主成分分析(PCA)可以扩展到希尔伯特空间,用于图像去噪、聚类和非线性降维。

给定一组数据点 {xi}^n_{i = 1},PCA 试图找到一个方向 d,使得 {xi} 在 d 上的投影具有最大方差。通过将示例映射到 RKHS 并再次找到最大方差投影方向,可以进行非线性 PCA。具体步骤如下:
1. 对数据进行中心化,即令 φ̃(xi) = φ(xi) - 1/n ∑ {j} φ(xj),并基于中心化特征定义核 k̃。
2. 目标可以表示为
max
{f: ||f|| {H̃} = 1} Var{〈φ̃(xi), f〉 {H̃}}
3. 将约束 ||f|| ≤ 1 视为指示函数 φ(||f||^2),其中 φ(x) = 0 若 x ≤ 1,否则为 1。根据表示定理,最优解为 f = ∑ {i} αi k̃(xi, ·)。
4. 将其代入目标函数,问题变为
max
{α: α^T K̃ α = 1} α^T K̃^2 α
5. 写出拉格朗日函数 L = α^T K̃^2 α - λ(α^T K̃ α - 1),对 α 求导并令其为 0,得到
K̃^2 α = λ K̃ α
6. 尽管此方程不能保证 α 是 K̃ 的特征向量,但可以证明对于满足该方程的每个 λ,存在 K̃ 的特征向量 α 使得 K̃ α = λ α。因此,只需研究 K̃ 的特征系统,就像在普通 PCA 中一样。一旦获得最优的 αi ,任何数据点 x 都可以投影到 ∑_{i} αi k̃(xi, x)。

核在无监督学习中的其他应用还包括典型相关分析、独立成分分析、通过分布的希尔伯特空间嵌入的核化独立性准则等。

2.7 核方法应用流程图

graph LR
    A[数据输入] --> B[选择核函数]
    B --> C{监督学习或无监督学习}
    C -- 监督学习 --> D[构建模型(如SVM)]
    D --> E[训练模型]
    E --> F[预测]
    C -- 无监督学习 --> G[数据建模(如PCA)]
    G --> H[特征提取]
    H --> I[数据分析]

3. K-Means聚类算法

3.1 K-Means聚类简介

K-Means聚类是一种流行的局部优化聚类算法。为了提高其性能,研究人员提出了更好的初始化方法和更快的计算方法。

3.2 K-Means聚类的定义和步骤

K-means(Lloyd 1957; MacQueen 1967)是一种广泛应用的数据聚类方法。其基本思想是给定一个初始但非最优的聚类,将每个点重新分配到其最近的中心,通过计算成员点的均值更新聚类中心,并重复这个重新分配和更新过程,直到满足收敛标准(如预定义的迭代次数、失真函数值的差异)。

K-means聚类算法步骤
1. 输入 :K(聚类数),D(包含N个点的数据集)
2. 输出 :一组K个聚类
3. 初始化 :形成初始的K个聚类。初始化方法有多种,从简单的方法(如选择前K个数据点、Forgy初始化(随机选择数据集中的K个数据点)和随机分区(将数据点随机分成K个子集))到更复杂的方法(如基于密度的初始化、智能初始化、最远优先初始化(FF)和子集最远优先(SFF)初始化)。
4. 重复
- 对于数据集中的每个点p,找到其最近的中心并将p分配到相应的聚类。
- 通过计算成员点的均值更新聚类中心。
5. 直到 :满足停止迭代标准
6. 返回 :聚类结果

3.3 K-Means聚类的复杂度分析

设N为点数,D为维度数,K为中心数。假设算法运行I次迭代收敛,则K-means聚类算法的空间复杂度为O(N(D + K)),基于距离计算的数量,时间复杂度为O(NKI)。

3.4 大规模数据的快速计算方法

对于大规模数据聚类,K-means算法的大部分时间花在点与中心之间的大量距离计算上。为了解决这个问题,提出了许多算法,如下表所示:
| 算法 | 原理 |
| ---- | ---- |
| PDS(部分失真搜索) | 通过累加每个维度的差异来计算点与候选中心之间的距离。 |
| TIE(三角不等式消除) | 基于度量距离的三角不等式修剪候选中心。 |
| MPS(平均距离有序部分搜索) | 使用排序来初步猜测均值最接近当前点的中心,并通过基于欧几里得距离性质的不等式修剪候选者。 |
| kd - 树K - means | 利用kd - 树以比暴力搜索更快的方式找到近似最近中心。中心从kd - 树的根节点到叶节点进行分层分割,叶节点包含相似的中心。搜索最近中心时,只需检查与点最相似的叶节点。 |
| HKM(快速层次K - means聚类) | 不直接对大聚类进行聚类,而是在层次树的每个节点上使用K - means进行少量聚类。 |
| GT | |
| CGAUDC | |
| GAD | |

在许多大规模应用中,需要进行大K聚类,HKM和kd - 树K - means是适用于此问题的快速算法,因为它们在K上的时间复杂度从K - means的原始O(K)降低到O(log(K))。

3.5 K-Means聚类算法流程图

graph LR
    A[输入K和数据集D] --> B[初始化聚类中心]
    B --> C[迭代开始]
    C --> D[遍历每个点p]
    D --> E[找到p的最近中心]
    E --> F[将p分配到相应聚类]
    F --> G[更新聚类中心]
    G --> H{是否满足收敛条件}
    H -- 否 --> C
    H -- 是 --> I[输出聚类结果]

4. 核方法与K - Means聚类的对比与联系

4.1 对比分析

方法 适用场景 复杂度 核心思想
核方法 处理非线性依赖关系,适用于各种数据类型,包括非欧几里得对象 计算复杂度较高,特别是在高维或无限维空间中 通过将对象隐式映射到高维特征空间,在再现核希尔伯特空间中进行学习和估计
K - Means聚类 数据聚类,适用于大规模数据 时间复杂度主要取决于数据点数量、维度和聚类数,大规模数据计算耗时 通过不断更新聚类中心,将数据点分配到最近的中心,实现局部优化聚类

4.2 联系探讨

核方法可以与K - Means聚类相结合,例如在K - Means聚类中使用核函数来处理非线性数据。具体操作步骤如下:
1. 选择合适的核函数 :如高斯RBF核、多项式核等。
2. 计算核矩阵 :根据选择的核函数和数据点,计算核矩阵K,其中Kij = k(xi, xj)。
3. 将K - Means算法应用于核矩阵 :在核空间中进行聚类操作,将数据点分配到最近的聚类中心。
4. 更新聚类中心 :在核空间中更新聚类中心,重复步骤3和4,直到满足收敛条件。

5. 实际案例分析

5.1 核方法在图像分类中的应用

在图像分类任务中,核方法可以通过将图像数据映射到高维特征空间,利用支持向量机(SVM)进行分类。具体操作流程如下:

graph LR
    A[图像数据输入] --> B[特征提取(如HOG、SIFT)]
    B --> C[选择核函数(如高斯RBF核)]
    C --> D[计算核矩阵]
    D --> E[构建SVM模型]
    E --> F[训练模型]
    F --> G[对新图像进行分类预测]
  1. 图像数据输入 :收集待分类的图像数据集。
  2. 特征提取 :使用合适的特征提取方法,如方向梯度直方图(HOG)、尺度不变特征变换(SIFT)等,提取图像的特征。
  3. 选择核函数 :根据数据特点选择合适的核函数,如高斯RBF核。
  4. 计算核矩阵 :根据选择的核函数和提取的特征,计算核矩阵。
  5. 构建SVM模型 :使用核矩阵构建SVM模型。
  6. 训练模型 :使用训练数据集对SVM模型进行训练。
  7. 分类预测 :使用训练好的模型对新的图像进行分类预测。

5.2 K - Means聚类在客户细分中的应用

在客户细分任务中,K - Means聚类可以根据客户的特征将客户分为不同的群体。具体操作流程如下:

graph LR
    A[客户数据输入] --> B[数据预处理(如归一化)]
    B --> C[选择聚类数K]
    C --> D[初始化聚类中心]
    D --> E[迭代聚类]
    E --> F{是否满足收敛条件}
    F -- 否 --> E
    F -- 是 --> G[输出客户细分结果]
  1. 客户数据输入 :收集客户的相关数据,如年龄、消费金额、购买频率等。
  2. 数据预处理 :对数据进行预处理,如归一化,以消除不同特征之间的量纲差异。
  3. 选择聚类数K :根据业务需求和数据特点,选择合适的聚类数K。
  4. 初始化聚类中心 :使用合适的初始化方法,如Forgy初始化,随机选择K个数据点作为初始聚类中心。
  5. 迭代聚类 :重复将每个客户分配到最近的聚类中心,并更新聚类中心的过程,直到满足收敛条件。
  6. 输出结果 :输出客户细分结果,每个客户被分配到一个聚类中。

6. 总结与展望

6.1 总结

核方法和K - Means聚类是机器学习中两种重要的方法。核方法通过将对象映射到高维特征空间,能够有效处理非线性依赖关系,在监督学习和无监督学习中都有广泛应用。K - Means聚类是一种简单有效的聚类算法,通过不断更新聚类中心,实现数据的聚类。为了提高性能,研究人员对这两种方法都提出了许多改进和优化策略。

6.2 展望

未来,核方法和K - Means聚类可能会在以下方面得到进一步发展:
- 算法优化 :继续研究和开发更高效的算法,以降低计算复杂度,提高处理大规模数据的能力。
- 多方法融合 :将核方法与其他机器学习方法(如深度学习、强化学习)相结合,发挥各自的优势,解决更复杂的问题。
- 新应用领域 :探索在更多领域的应用,如医疗、金融、交通等,为这些领域的数据分析和决策提供支持。
- 理论研究 :深入研究核方法和K - Means聚类的理论基础,为算法的改进和应用提供更坚实的理论支持。

总之,核方法和K - Means聚类在机器学习领域具有重要的地位和广泛的应用前景,未来的发展值得期待。

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